專利名稱：一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器件領(lǐng)域，涉及到諧振腔鏡，具體涉及一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡。
背景技術(shù)：
軸對稱偏振光是一種在光束橫截面內(nèi)除光束中心外各點(diǎn)均存在偏振方向與徑向成相同角度的偏振光束。當(dāng)二者夾角等于90°時(shí)，稱為環(huán)向偏振光(如圖Ι-a所示)。當(dāng)二者夾角等于0°時(shí)，稱為徑向偏振光(如圖l_b所示)，圖1中的箭頭指向?yàn)殡娛噶糠较颉?由于軸對稱偏振光的特殊偏振特性，在很多領(lǐng)域中表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。環(huán)向偏振光可以應(yīng)用于工業(yè)激光打孔，其加工的孔與圓偏振光加工的孔相比，具有孔的深度大、孔徑小、錐度小、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。到目前為止，徑向偏振光的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。在科學(xué)研究領(lǐng)域，徑向偏振光在強(qiáng)聚焦下，焦點(diǎn)位置將出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的縱向電場，可以用于對帶電粒子加速。徑向偏振光也可以作為“光鑷子”實(shí)現(xiàn)對粒子捕獲。徑向偏振光還可以用于近場成像，提高顯微鏡的分辨率。 在工業(yè)加工領(lǐng)域，徑向偏振光用于切割，相比于圓偏振光切割效率可以提高2倍左右。目前，軸對稱偏振光的產(chǎn)生分為被動和主動兩種方式。被動的方式主要采用波片， 偏振片等元件對線偏振光作旋轉(zhuǎn)疊加，或使用一對偏振正交的TEMtll光束相干疊加得到。主動方式一般利用軸對稱的雙折射元件或利用布儒斯特錐鏡等方法。申請?zhí)?00820165973. 0公開了《一種實(shí)現(xiàn)線偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光的裝置》， 該方法采用半波片、四分之一波片、雙折射晶體、石英偏振旋轉(zhuǎn)器等通過有序排列將線偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光。該方法采用的光學(xué)器件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且對波片和雙折射元件的光軸之間的相對位置要求嚴(yán)格，調(diào)整不方便，轉(zhuǎn)換效率也不高。申請?zhí)?00910051101. 0公開了一種《輸出徑向偏振光束的激光器》，這種方法以布儒斯特軸錐鏡作為腔內(nèi)偏振元件產(chǎn)生徑向偏振光。由于插入布儒斯特軸錐鏡到腔內(nèi)，增加了諧振腔的損耗。而且布儒斯特軸錐鏡的制造和調(diào)整精度要求極高，限制了徑向偏振光的輸出功率和偏振度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述技術(shù)的不足，提出了一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，該諧振腔鏡偏振選擇度大，反射率高，軸對稱性好，熱穩(wěn)定性優(yōu)良，可以得到高功率、高偏振度的軸對稱偏振光。本發(fā)明提供的一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，其特征在于，它包括光柵、多層介質(zhì)膜和基底；光柵的刻線呈圓環(huán)狀，并分布均勻，且與基底同心，光柵的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區(qū)的尺寸滿足關(guān)系Φ2 = $「2*1^，其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑，L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度；多層介質(zhì)膜由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質(zhì)膜位于光柵和基底之間，光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。本發(fā)明通過對光柵參數(shù)，包括光柵的周期、刻槽深度、占空比等參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以
3設(shè)計(jì)出過光柵鏡任一直徑的入射面內(nèi)對正入射的P偏振分量具有高反射率且高于正入射的S偏振分量反射率10%以上的徑向偏振光柵鏡，或是對正入射的S偏振分量具有高反射率且高于正入射的P偏振分量反射率10%以上的環(huán)向偏振光柵鏡。這樣就可以得到高純度的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光。該腔鏡結(jié)構(gòu)簡單、對稱性好、熱穩(wěn)定性能和機(jī)械性能優(yōu)良，可以作為諧振腔的尾鏡，廣泛應(yīng)用于氣體、固體激光器，以產(chǎn)生高功率、高純度的軸對稱偏振光。具體而言，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)(1)所述的基底具有熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，既可以是平面鏡，也可以是凹面鏡。高熱穩(wěn)定性的基底可以滿足高功率激光器的使用要求。( 所述的多層介質(zhì)膜位于基底之上，是由高低折射率材料交替層疊而成。它具有低吸收，高損傷閾值等特點(diǎn)，可以增強(qiáng)腔鏡的反射率達(dá)到激光諧振腔尾鏡的要求。(3)光柵位于多層介質(zhì)膜之上，其刻線呈圓環(huán)狀，并分布均勻，而且與腔鏡同心。光柵刻線剖面為矩形。由于過光柵鏡任一直徑的入射面內(nèi)，光柵對于一對正交的偏振態(tài)，P偏振分量和S偏振分量具有明顯的反射率差異。因此，光柵具有很強(qiáng)的偏振選擇特性。光柵的圓形刻蝕結(jié)構(gòu)，可以使徑向或環(huán)向軸對稱偏振光體現(xiàn)出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性，有利于得到高純度的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光。


圖1為兩類軸對稱偏振光TEM_模的電矢量結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例左視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例正視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例典型結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例典型結(jié)構(gòu)的反射率與光柵深度之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖2所示，本發(fā)明包括光柵1、多層介質(zhì)膜2和基底3。如圖3，4所示，光柵1的刻線呈圓環(huán)狀，并分布均勻，且與腔鏡同心。中心未刻蝕區(qū)的直徑為Φ3，其取值一般小于光柵的三十個(gè)周期。光柵鏡刻蝕區(qū)的尺寸滿足關(guān)系Φ2 = (^-2禮，其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑。L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度。光柵作為偏振選擇器件，僅對徑向軸對稱偏振光或環(huán)向軸對稱偏振光具有較高的反射率，而對與之正交的環(huán)向軸對稱偏振光或徑向軸對稱偏振光具有很低的反射率。圓形光柵刻蝕結(jié)構(gòu)，可以使徑向或環(huán)向軸對稱偏振光體現(xiàn)出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性，有利于得到高純度的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光。基底3具有熱穩(wěn)定性和機(jī)械特性好的特點(diǎn)，既可以是平面鏡，也可以是凹面鏡。高熱穩(wěn)定性的基底可以滿足高功率的使用要求。多層介質(zhì)膜2位于光柵1和基底3之間，光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。光柵 1的刻線剖面為矩形。多層介質(zhì)膜2的直徑等于光柵刻蝕區(qū)的直徑Φ2。多層介質(zhì)膜2由高低折射率材料交替層疊而成，具有低吸收，高損傷閾值，高反射等特點(diǎn)。因此，多層介質(zhì)膜2可以大大提高腔鏡對光柵選擇出來的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光的反射率，使其達(dá)到激光諧振腔尾鏡的要求。對于輸出波長在遠(yuǎn)紅外區(qū)的激光器，高折射率材料一般為鍺、硒化鋅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料，既具有對激光吸收率低，又有較大折射率的特點(diǎn)。而低折射率材料一般為四氟化釷，氟化釔等氟化物。同樣，這些材料對激光有低吸收，又有較小折射率。對于輸出波長在近紅外區(qū)的激光器，高折射率材料一般為二氧化鉿，二氧化鈦、二氧化鋯或五氧化二鉭等金屬氧化物材料，既具有對激光吸收率低，又有較大折射率的特點(diǎn)。而低折射率材料一般為對激光低吸收率低的二氧化硅。多層介質(zhì)膜層數(shù)通常在2至21層之間。激光在各介質(zhì)膜層中的光程為波長的四分之一，多層介質(zhì)膜的總厚度由所采用的高、低折射率材料的折射率和設(shè)計(jì)的膜層數(shù)決定。上述技術(shù)方案適用于不同輸出波長、不同各種類的激光器所需的諧振腔鏡，下面以輸出波長為10. 6微米的(X)2激光器為例，進(jìn)一步詳細(xì)地說明上述技術(shù)方案的具體實(shí)現(xiàn)過程。如圖5所示的光柵具體結(jié)構(gòu)，對于輸出波長為10. 6微米的(X)2激光器，基底和光柵區(qū)均采用砷化鎵。Ct1為27. 94毫米，Φ2* 22.00毫米，(^為0.20毫米。多層介質(zhì)膜的高折射率材料為硒化鋅，低折射率材料為四氟化釷，多層膜的層數(shù)為5層。光柵的周期Λ 為6微米，光柵脊寬b為3微米，改變光柵的深度d計(jì)算得到兩種偏振光的反射率曲線，如圖6所示。當(dāng)光柵深度d在1. 50微米附近的區(qū)間A內(nèi)(d大于1. 40微米小于1. 75微米) 取值時(shí)，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小于 53. M%。同樣，當(dāng)光柵深度d在3. 30微米附近的區(qū)間B內(nèi)(d大于3. 25微米小于4. 25微米)取值時(shí)，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小于88. 41%?？梢?，在光柵的深度取值在區(qū)域A、B中時(shí)，這種光柵鏡結(jié)構(gòu)既具有高的反射率同時(shí)具有優(yōu)良的偏振選擇性，適宜于作為激光諧振腔的尾鏡產(chǎn)生徑向偏振光。因此，在制作光柵的時(shí)候可以在區(qū)域A、B中優(yōu)選光柵的深度，使其一方面達(dá)到尾鏡的要求，另一方面偏振選擇性強(qiáng)，并具有較大的制造公差范圍。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，其特征在于，它包括光柵(1)、多層介質(zhì)膜(2)和基底(3)；光柵⑴的刻線呈圓職，并分布均勻，且與基底⑶同心，光柵⑴的刻線剖面為·光_骸_ 區(qū)的尺寸滿足縣4l 二 A - 其中，美為基底直徑,疼為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑，L為基底(3)上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度；多層介質(zhì)膜(2)由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質(zhì)膜(2)位于光柵(1)和基底(3)之間，光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，其特征在于基底(3)是平面鏡或凹面鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，它包括光柵、多層介質(zhì)膜和基底；光柵的刻線呈圓環(huán)狀，并分布均勻，且與基底同心，光柵的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區(qū)的尺寸滿足關(guān)系，其中，為基底直徑，為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑，為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度；多層介質(zhì)膜是由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質(zhì)膜位于光柵和基底之間，光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。該腔鏡具有對P偏振或S偏振選擇和高反射的特點(diǎn)，而且具有圓對稱性?？捎糜诩す庵C振腔的尾鏡，得到高偏振度的軸對稱偏振光束。
文檔編號H01S3/101GK102157894SQ20111006758
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者李波, 楊揚(yáng), 王又青, 賀昌玉, 趙江 申請人:華中科技大學(xué)